不同金屬材料轉向垂臂疲勞仿真分析

許冬，彭寶營，王鵬家

(北京信息科技大學 機電工程學院，北京 100192)

0 引言

轉向垂臂作為汽車傳動機構的重要零部件以及車輛轉向系統(tǒng)的重要組成部分，主要是將傳動機構的轉向柱或者轉向軸的徑向運動轉化為線性運動，以此來控制車輪的轉動。由于轉向垂臂是3個角旋轉連桿中的第一個，主要負責將轉向器的輸入傳遞給轉向橫拉桿，依次控制左右轉向橫拉桿及其各自的車輪，一旦轉向垂臂出現磨損或損壞時，可能會導致嚴重的轉向失控進而威脅駕駛員的安全，這使得任何車輛維護方案都必須定期檢查和維護這一關鍵部件。目前對汽車轉向垂臂的研究大多數集中在優(yōu)化自身結構上，關于不同材料的轉向垂臂性能對比方面研究相對較少。

目前，大多數零部件會借助有限元分析為實際應用提供理論分析和參考。阮景奎等[1]通過建立數學模型，并以該模型的控制參數作為設計變量，采用遺傳算法對轉向垂臂進行了一系列的尺寸優(yōu)化；羅來馬等[2]利用各種表征手段對汽車轉向器垂臂失效原因進行了分析，發(fā)現了汽車轉向器垂臂失效的原因是其內部顯微組織出現缺陷以及硬度太低；彭樹陳[3]通過有限元分析軟件對轉向臂進行靜力學分析，獲得了轉向臂的應力大小以及分布狀況，并對應力集中的部位進行優(yōu)化和改進設計；王佩瑤等[4]利用拓撲優(yōu)化技術建立了轉向垂臂的拓撲優(yōu)化模型，在優(yōu)化后的基礎上對其進行二次設計；陳明媚等[5]對轉向垂臂進行結構和受力分析，通過改變其結構來提高強度，從而達到減少變形的目的；趙振全等[6]利用SolidWorks軟件對轉向臂進行建模和有限元分析，得到轉向臂的受力情況和應力分布情況；王小平等[7]對轉向臂結構進行了CAE設計分析和計算,從結構和可靠性兩個方面對原始設計結構進行了分析和優(yōu)化；韋洲等[8]利用ProCAST軟件對熔模鑄造的轉向臂進行設計,采用ANSYS軟件對鑄造成形的轉向臂進行有限元分析；馬世野等[9]使用有限元軟件對轉向垂臂進行分析計算,確定其設計合理性。

綜上所述，目前對于汽車轉向垂臂的研究大多數集中在結構優(yōu)化上，關于不同材料的轉向垂臂進行性能(強度、剛度、形變、使用壽命等)對比研究相對較少。由于實際試驗需要消耗大量時間、人力以及材料，為了避免時間、人力和材料的浪費，因此使用有限元分析技術為后續(xù)實際試驗和應用提供理論參考。本文以某型汽車的轉向垂臂作為研究對象，通過有限元技術分析對比40鋼、40Cr、20CrMo和TC4鈦合金4種材料的總變形、最大應力與壽命和安全系數，為轉向垂臂材料的合理選擇提供理論參考。

1 轉向垂臂的載荷計算

當汽車在正常駕駛過程中，需要對汽車轉向盤施加一個力矩，該力矩會由汽車轉向軸傳遞至轉向器，經過減速增力傳給轉向垂臂，由轉向機構的轉向縱拉桿傳給轉向節(jié)上的轉向節(jié)臂，使轉向節(jié)和它所支撐的車輪發(fā)生轉動。當汽車轉向時，會產生汽車轉向阻力矩MS，該阻力矩是以汽車在靜止狀態(tài)下為標準來進行計算。因為在汽車轉向時，最大轉向阻力矩是出現在原地轉向，且轉向輪在原地轉向時需要克服與地面的靜摩擦力以及轉向輪繞主銷轉動的阻力等。同時汽車輪胎受到的阻力也是通過轉向節(jié)傳遞，最后作用在轉向垂臂上。

本文針對某型汽車轉向垂臂進行分析，其汽車轉向阻力矩的計算可以根據蘇聯的半經驗公式(1)得出：

(1)

式中：μ為輪胎與地面的靜摩擦系數，μ=0.6；G為一側車輪負荷，G=33 400 N；P為車輪胎壓，P=7.3 MPa，代入可得：

MS=1 438.7 N·m

當遇到阻礙物車輪發(fā)生偏轉時，油缸內所受最大油壓值P=15 MPa，輸出效率η=75%。因此，油缸的伸張輸出力Fy1以及油缸的壓縮輸出力Fy2可由式(2)得出：

(2)

式中：某型汽車油缸的直徑為D=50 mm，連桿直徑為d=35 mm，代入可得：

油缸伸張輸出力矩My1以及油缸壓縮輸出力矩My2可由式(3)得出：

My=FyL

(3)

式中：L為連接油缸的垂臂長度，取值L=255 mm。將Fy1和Fy2代入可得：

油缸的伸張輸出力矩My1以及油缸的壓縮輸出力矩My2皆是轉向垂臂轉動的動力來源。由于在遇到阻礙物車輪發(fā)生偏轉時，My1以及My2皆大于汽車在靜止狀態(tài)下的轉向阻力矩MS，故可使轉向垂臂在轉向機構中正常運行。轉向力矩M為：

M=My-Ms

(4)

將My1、My2以及MS分別代入式(4)可得M1和M2：

2 材料的選取

本文針對某型汽車轉向垂臂常用的材料40鋼、40Cr、20CrMo和TC4鈦合金進行靜力學分析與疲勞分析。上述材料的主要參數如表1所示。

表1 轉向垂臂材料的參數[10-12]

3 轉向垂臂仿真過程

某型汽車轉向垂臂的幾何參數如表2所示。

表2 某型轉向垂臂的幾何參數 mm

利用三維軟件Solidworks 2016對其進行建模，在不影響分析結果的前提下，對轉向垂壁進行了適當簡化，刪除部分細微結構，如內部結構、圓角等特征。建立的轉向垂臂實體模型如圖1所示。

圖1 轉向垂臂實體模型

該實體模型建模后，保存的格式為.X_t格式，然后導入ANSYS Workbench2020中進行前處理。導入實體模型后，先設置單元類型、網格劃分方式以及40鋼、40Cr、20CrMo和TC4鈦合金的材料參數。單元類型采用solid186單元，網格劃分采用網格自適應方式，網格劃分后的網格模型如圖2所示，導入的4種金屬材料的參數如表1所示。該模型網格劃分共有49 441個單元，87 486個節(jié)點。

圖2 網格自適應劃分模型

4 仿真結果分析

根據某型汽車轉向垂臂的實際運動和受力，對有齒輪一側選用載荷類型為Moment(彎矩)，施加的轉向力矩M可由前節(jié)公式(4)得出的計算結果選取最大值為3 349.2 N·m；另外一側選用約束類型為Cylindrical Support(圓柱面約束)。加載位置以及受力分析如圖3所示。

圖3 轉向垂臂的受力分析以及加載位置

4.1 靜力學分析

由于40鋼、20CrMo兩種材料的轉向垂臂分析結果相似，故下文都以40Cr和TC4為例。通過ANSYS靜力學模塊對某型汽車轉向垂臂進行后處理求解，可獲得其總形變云圖以及應力云圖，前者如圖4所示，后者如圖5所示。

圖4 轉向垂壁總形變云圖

圖5 轉向垂臂應力云圖

由圖4可以看出，40Cr材料的轉向垂臂最大總形變最小，表示其抗形變能力最強；由圖5可以看出，轉向垂臂應力云圖中標記的最大值位置即為危險點的位置。經過靜力學模塊后處理求解，轉向垂臂求解結果如表3所示，TC4鈦合金的轉向垂臂最大應力最小，說明其剛度最好，40Cr得轉向垂臂最大總形變最小，說明其強度最好。

表3 轉向垂臂的求解結果

4.2 疲勞分析

對4種金屬材料的某型汽車轉向垂臂進行疲勞分析。在ANSYS Workbench2020前處理中選擇Engineering Data進行4種金屬材料的選取和屬性模塊的選取，4種金屬材料的數據來源于材料數據庫(Engineering Data Sources)，其中包括了彈性模量、泊松比、密度以及應力-壽命(S-N) 曲線等相關數據和曲線。疲勞分析所需的4種金屬材料的應力-壽命(S-N) 曲線如圖6所示，橫坐標為循環(huán)次數n取對數(lgn)，縱坐標為交變應力σ(MPa)取對數(lgσ)。

選用Fatigue Tool(疲勞工具)，根據轉向垂臂的受力情況，選取Fully reversed(完全反轉)為加載的載荷類型，考慮到轉向垂臂的實際情況，疲勞系數Kf取值為0.8，采用Goodman應用修正理論來修正平均應力對疲勞結果的影響，以此得出轉向垂臂疲勞敏感性曲線如圖7所示。

圖7 轉向垂臂疲勞敏感性曲線

通過Fatigue Tool疲勞模塊對轉向垂臂進行后處理求解，可獲得其安全系數云圖以及壽命和損傷云圖，前者如圖8所示，后者如圖9所示。

由圖8可看出，TC4鈦合金的某型汽車轉向垂臂最小安全系數最高；由圖9可看出，TC4鈦合金的某型汽車轉向垂臂使用壽命最長。損傷值越大表示該部位使用壽命越低，也就越容易造成疲勞損壞。

圖8 轉向垂壁安全系數云圖

圖9 轉向垂臂壽命和損傷云圖

5 結束語

通過三維軟件對某型汽車轉向垂臂進行實體建模，利用ANSYS Workbench2020的靜力學模塊和疲勞模塊對4種金屬材料的轉向垂臂進行求解分析，獲得其相應的應力應變、疲勞壽命、安全系數以及應力應變最大的位置和損傷最大的位置，具體結論如下：

1)40Cr材料的轉向垂臂的強度最好，TC4鈦合金材料的轉向垂臂剛度最好。通過應力應變以及疲勞分析進行4種金屬材料轉向垂臂的強度、剛度、使用壽命、安全系數以及自身質量等綜合比較，TC4鈦合金材料的轉向垂臂的綜合性能優(yōu)于40Cr材料的轉向垂臂；

2)為了滿足某型汽車轉向垂臂的輕量化以及可靠性，結合有限元分析結果，可對轉向垂臂的無損檢測和使用性能(強度、剛度以及使用壽命等)的優(yōu)化提供一定的理論參考。